几种畜禽粪便厌氧发酵前后氮含量的变化

陈芬张红丽余高

(1.铜仁学院农林工程与规划学院，贵州 铜仁 554300；2.国信司南(北京)地理信息技术有限公司，北京 100048；3.江口鑫力农业发展有限公司，贵州 铜仁 554400)

随着我国畜禽养殖业快速发展，畜禽粪便已经成为我国环境的重要污染源之一，资源化利用畜禽粪便对改善生态环境、实现资源循环利用具有重大的现实意义和战略意义[1]。厌氧沼气发酵处理有机废弃物具有能耗小、剩余污泥少、可回收能源等优点，是有机固体废物处理处置方向之一[2]。畜禽粪便经过沼气发酵,不仅能解决环境卫生问题,而且能回收能源。

目前，国内外厌氧消化处置的有机废弃物种类主要集中于畜禽粪便、城市生活垃圾、城市污泥等[2]。然而，国外较大部分研究工作者致力于消化物料的预处理方式、厌氧消化工艺及参数对系统产气率的影响[3-5]。消化物料预处理方式的研究内容主要包括粉碎、浸泡、超声波、微波、热水解、酸、碱、臭氧物质等处理，而厌氧消化工艺及运行参数的研究内容主要包括消化物料固体浓度、有机负荷、水力停留时间、反应器温度、搅拌方式、消化液回流比等[6,7]。但对发酵体系肥力指标(如氮、磷、钾等)研究的却较少。

因此，本研究拟采用实验室控制条件下发酵培养试验，比较3种主要畜禽粪便在高温厌氧发酵前后体系中全氮(TN)、铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)含量的变化，以期为不同畜禽粪便肥料化利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 发酵原料与接种物及预处理

1.1.1 发酵原料

试验用鸡粪取自山西忻州农户，猪粪取自山西省忻府区旭明养殖专业合作社，牛粪取自山西农业大学牧站。鸡粪、猪粪和牛粪的挥发性固体(VS)分别为64.43%、60.49%和74.77%；总有机碳(TOC)含量分别为302.83g·kg-1、284.30g·kg-1和351.44g·kg-1；TN含量分别为20.98g·kg-1、15.03g·kg-1和13.64g·kg-1。样品取回后风干去杂过筛后用于试验。

1.1.2 接种物

用采自山西省高平市农村沼气池的沼液与采自山西农业大学牧站的牛粪按体积比为10∶1混合后进行常温密封驯化，驯化时间为10d。

1.2 试验设计与实施

本试验按发酵原料不同设3个处理，分别为鸡粪、猪粪和牛粪。设畜禽粪便与水的比例按10%(固体质量比)进行添加，其中鸡粪、猪粪和牛粪分别添加72g、69g和68g，接种液270g，然后加自来水至900g，充分混匀；取样200g，部分用于固体含量测定，剩余部分通过离心进行固液分离，用于厌氧发酵初始固、液相TN、NH4+-N和NO3--N含量的测定；反应器中保留700g进行厌氧发酵试验，初始固体含量均为10%，即均为70g。3次重复。培养过程参照陈芬等的实验方法[8]。

1.3 测定项目与方法

畜禽粪便挥发性固体(VS)采用550℃灼烧法；总有机碳(TOC)含量采用K2Cr2O7容量法测定(NY525-2002)；畜禽粪便以及发酵起止固相中全氮(TN)含量参照有机肥料标准测定方法；发酵起止液相中的全氮(TN)采用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法，铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)含量采用连续流动分析仪(FIAstarTM 5000 Systems，FOSS，America)测定。

1.4 统计分析方法

试验数据处理采用 Microsoft Excel 2003 和SPASS 18.0。

2 结果与分析

2.1 3种畜禽粪便厌氧发酵前后TN含量的变化差异

厌氧发酵过程中，由于有一部分氮素转化为N2和NH3等气体而损失，导致发酵原料总氮含量均不同程度下降。反应初期，鸡粪、猪粪和牛粪处理发酵原料总氮量分别为3.37g、2.14g和2.43g；反应结束后，相应处理总氮量分别为3.04g、1.94g和2.25g，损失率分别为9.18%、9.50%和7.31%，各处理之间差异不显著，见图1。

图1 3种畜禽粪便厌氧发酵过程中总氮含量损失率

2.2 3种畜禽粪便厌氧发酵前后NH4+-N含量的变化差异

高温厌氧发酵过程中，反应器中微生物不断分解基质，体系中发生剧烈的生化反应，同时由于反应器中微生物氨化作用及有机氮的矿化分解，导致液相中NH4+-N含量增加。由图2可知，厌氧发酵68d中，发酵初期鸡粪、猪粪、牛粪的NH4+-N含量分别为0.52g、0.46g和0.35g，发酵末期鸡粪、猪粪、牛粪的NH4+-N含量分别为0.67g、0.74g和0.57g，发酵末期体系中的NH4+-N含量均显著高于发酵初期。这与其它报道中畜禽粪便厌氧发酵条件下NH4+-N的变化趋势相似[9]，宋成芳[9]等人研究了畜禽养殖废弃物沼液的浓缩及其成分，结果表明，浓缩液的常规营养成分显著高于原沼液。靳红梅[10]等人研究了猪、牛粪厌氧发酵中氮素形态转化及其在沼液和沼渣中的分布，研究结果表明，猪粪和牛粪发酵结束时液相中NH4+-N质量均有不同程度的增加，增幅分别达162.2%和90.0%。在整个厌氧发酵过程中，鸡粪发酵前后液相中的NH4+-N含量都比较高，主要是因为鸡粪中含有较高的粗蛋白和较多的氨、尿素、尿酸、肌酸和肌酸肝等非蛋白态氮素化合物[11]。

图2 3种畜禽粪便发酵前后料液中NH4+-N的含量

2.3 3种畜禽粪便厌氧发酵前后NO3--N含量的变化

厌氧发酵68d后，3种发酵原料中的NO3--N均显著降低，鸡粪、猪粪和牛粪分别降低了70.0%、30.7%和43.4%见图3。造成NO3--N减少的原因主要有2个，厌氧过程中缺乏氧等电子受体；硝酸盐和亚硝酸盐被厌氧氨氧化分解代谢。

图3 3种畜禽粪便发酵前后料液中NO3--N的含量

畜禽粪便经过厌氧发酵后，NH4+-N占总氮的比例均有不同程度的升高，见表1。鸡粪、猪粪和牛粪分别升高了6.24%、16.12%和10.33%，其中猪粪升高显著(P<0.05)。畜禽粪便中NH4+-N占液相总氮的比例也均有不同程度的升高，差异不显著。厌氧发酵降低了NO3--N在总氮及液相总氮的比例，降幅在猪粪和牛粪总量中达到显著水平(P<0.05)，鸡粪降幅比较小。

表1 3种畜禽粪便发酵过程中NH4+-N和NO3--N在总量和液相中的比例

3 结论与讨论

厌氧发酵68d中，鸡粪、猪粪和牛粪的TN含量均有不同程度的降低，其损失率分别为9.18%、9.50%和7.31%。其原因可能是发酵原料中的有机氮经微生物作用发生氨化、厌氧氨氧化、反硝化[12]等反应，使氮素转化为NH3和N2等物质而损失，从而降低了总氮的含量。高温厌氧发酵过程中，反应器中微生物不断分解基质,体系中发生剧烈的生化反应[13]，同时由于反应器中微生物氨化作用及有机氮的矿化分解，从而导致液相中NH4+-N含量增加[14]，鸡粪、猪粪和牛粪发酵原料中NH4+-N在液相中的增幅分别为28.5%、61.5%和64.5%。在整个厌氧发酵过程中，鸡粪、猪粪和牛粪发酵原料中NO3--N均有不同程度的下降，其降幅分别为70.0%、30.7%和43.4%，造成NO3--N减少的原因可能有2个,厌氧过程中缺乏氧等电子受体；硝酸盐和亚硝酸盐被厌氧氨氧化分解代谢。